Las ondas gravitacionales       

 

 

Las ondas gravitacionales: 6 preguntas que podemos enfrentar.

 

El descubrimiento de las ondas en el espacio-tiempo terminará de validar la teoría de Einstein, pero también puede hacer mucho más

 

Por Davide Castelvecchi.

Traducción y comentarios: Jesús Guerrero, ALDA, Venezuela.

 

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Impresión artística de la ruptura de una estrella de neutrones, que podría producir un estallido de ondas gravitatorias.

Crédito: NASA Goddard Space Flight Center/S. Wiessinger.

 

La primera detección directa de ondas gravitacionales se encuentra a la espera de ser anunciada el 11 de febrero por el equipo de científicos que trabajan con el Interferómetro Láser Avanzado del Observatorio de Ondas Gravitacionales (LIGO). Este observatorio usa dos detectores gigantes gemelos: uno en Livingston, Luisiana, y otro en Hanford, Washington. Los investigadores dicen que han medido los rizos en el espacio-tiempo, producidos por una colisión entre dos agujeros negros.

 

 

Tal anuncio reivindicaría la predicción de las ondas gravitacionales, enunciadas hace casi 100 años por Albert Einstein, como parte de su Teoría General de la Relatividad, pero también tendrían mucha más importancia. Estas vibraciones en el tejido del espacio-tiempo, las ondas gravitacionales, se comparan a menudo al sonido, e incluso se han convertido en fragmentos sónicos. En efecto, los telescopios de ondas gravitacionales permiten a los científicos “oír” fenómenos al mismo tiempo que los telescopios ópticos “ven” su luz.

 

 

Cuando los proyectistas de LIGO luchaban por conseguir fondos del gobierno de Estados Unidos, a principios de la década de 1990, sus principales oponentes en las audiencias eran astrónomos. "La opinión general era que LIGO no tenía mucho que ver con la astronomía", expresa Clifford Will, un físico teórico de la relatividad general de la Universidad de Florida y uno de los primeros sustentadores del concepto de LIGO. “Ahora, las cosas han cambiado”.

 

 

La bienvenida al campo de la astronomía de las ondas gravitacionales, nos permite echar un vistazo a preguntas y fenómenos que se puede explorar...

 

 

¿EXISTEN REALMENTE LOS AGUJEROS NEGROS?

La señal que se espera que los investigadores de LIGO anuncien se dice que fue producida por la fusión de dos agujeros negros. Este tipo de eventos son los más energéticos conocidos; la potencia que emiten las ondas gravitacionales pueden rivalizar brevemente con la de todas las estrellas combinadas en el Universo observable. Las fusiones de agujeros negros también se encuentran entre las señales de ondas gravitacionales más limpias a interpretar.

 

 

Una fusión de agujeros negros se produce cuando dos de ellos comienzan a girar en su alrededor, irradiando energía en forma de ondas gravitacionales. Estas ondas deben tener un sonido característico similar a un chirrido, que se puede utilizar para medir las masas de los dos objetos. A continuación, los agujeros negros realmente se fusionan. "Es como cuando dos pompas de jabón se tocan para formar una burbuja. Inicialmente, la burbuja más grande es deformada", dice Thibault Damour, un teórico de la gravedad en el Instituto de Estudios Científicos Avanzados cerca de París. El único agujero negro resultante se asentará en una forma perfectamente esférica, pero primero se predice para irradiará ondas gravitacionales en un patrón anillado.

 

 

Una de las consecuencias científicas más importantes de la detección de una fusión de agujeros negros sería la confirmación de que los agujeros negros realmente existen, por lo menos como objetos perfectamente redondos hechos de puro y vacío espacio-tiempo deformado, como se predice en la Teoría General de la Relatividad. Otra sería que las fusiones proceden como se ha predicho. Los astrónomos ya tienen un montón de evidencias circunstanciales de estos fenómenos, pero hasta ahora ha llegado a partir de observaciones de estrellas y gas súper calentado que orbitan alrededor de los agujeros negros, no de agujeros negros a sí mismos.

 

 

"La comunidad científica ha llegado a ser muy indiferente sobre los agujeros negros. Los hemos dado por sentado", dice Frans Pretorius, un especialista en simulaciones de la relatividad general en la Universidad de Princeton en Nueva Jersey. "Pero si se piensa en lo que es una asombrosa predicción, realmente necesitamos una asombrosa evidencia".

 

 

¿CÓMO VIAJAN LAS ONDAS GRAVITACIONALES A LA VELOCIDAD DE LA LUZ?

Cuando los científicos empiecen a comparar las observaciones de LIGO con las de otros tipos de telescopios, una de las primeras cosas que van a tener que hacer es comprobar si las señales llegan al mismo tiempo. Los físicos plantean la hipótesis de que la gravedad es transmitida por partículas llamadas gravitones, el análogo gravitatorio de los fotones. Si, como los fotones, estas partículas tienen masa, las ondas gravitacionales podrían viajar a la velocidad de la luz, igualando la predicción de la velocidad de las ondas gravitacionales en la relatividad general clásica. (Su velocidad puede verse afectada por la expansión acelerada del Universo, pero eso sólo debe manifestarse en distancias mucho mayores a las que LIGO puede sondear).

 

 

Pero es posible que los gravitones tengan poca masa, lo que significaría que las ondas gravitacionales viajarían a menor velocidad que la luz. Así que si, por ejemplo, los observatorios activos para ondas gravitacionales LIGO y Virgo logran detectar los rizos de un evento cósmico, y encuentran que las olas tomaron un poco más de tiempo en llegar a la Tierra que el estallido asociado de rayos gamma detectados por un telescopio más convencional, podría tener consecuencias trascendentales para la física fundamental.

 

 

¿ESTÁ HECHO EL ESPACIO-TIEMPO DE CUERDAS CÓSMICAS?

 

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Una simulación de cuerdas cósmicas.

Marcos Hindmarsh / Universidad de Sussex.

 

Un descubrimiento aún más raro ocurriría si las ráfagas de ondas gravitacionales se detectan viniendo de “cuerdas cósmicas”. Estos defectos hipotéticos en la curvatura del espacio-tiempo, que puede o no estar relacionado con la teoría de cuerdas, serían infinitamente delgados, pero se extendería a través de distancias cósmicas. Los investigadores han predicho que las cuerdas cósmicas, si es que existen, podrían desarrollar ocasionalmente torceduras; si una cadena se rompe, liberaría repentinas ráfagas de ondas gravitacionales, que los detectores como LIGO y Virgo podrían medir.

 

 

¿SON ARRUGADAS LAS ESTRELLAS DE NEUTRONES?

 

Las estrellas de neutrones son los restos de estrellas masivas que colapsaron bajo su propio peso, llegando a ser tan densas, que  empujaron sus electrones y protones constituyentes para fusionarse en neutrones. Su física extrema es poco conocida, pero las ondas gravitacionales podrían proporcionar una visión única. Por ejemplo, la intensa gravedad en su superficie tiende a hacer que las estrellas de neutrones sean perfectamente esféricas. Sin embargo, algunos investigadores han teorizado que todavía podría haber algunas “montañas” de unos pocos milímetros de alto, lo que haría de estos densos objetos de unos 10 kilómetros de diámetro, ligeramente asimétricos. Las estrellas de neutrones por lo general giran muy rápidamente, por lo que una distribución asimétrica de masa tendería a deformar el espacio-tiempo y producir una señal de ondas gravitacionales continua en forma de una onda sinusoidal, que irradiaría energía y reduciría la velocidad de rotación de la estrella.

 

 

Pares de estrellas de neutrones que orbitan entre sí también producirían una señal continua. Al igual que los agujeros negros, las estrellas se precipitan entre sí en espiral y, finalmente, se fusionan, produciendo a veces un chirrido audible. Sin embargo, sus instantes finales difieren considerablemente a los de los agujeros negros. "Se dispone de todo un zoológico de posibilidades, dependiendo de las masas y de cómo la materia densa de neutrones puede ejercer presión", dice Pretorius. Por ejemplo, el combinado de estrella resultante podría ser una gran estrella de neutrones, o podría colapsar y convertirse en un agujero negro inmediatamente.

 

 

¿QUÉ HACE EXPLOTAR A LAS ESTRELLAS?

Los agujeros negros y estrellas de neutrones se forman cuando estrellas masivas deja de brillar y colapsan sobre sí mismas. Los astrofísicos piensan que este proceso es lo que da energía a un tipo común de explosión de supernova, conocida como Tipo II. Las simulaciones de este tipo de supernovas aún no han explicado claramente lo que las enciende, pero la escucha de los estallidos de ondas gravitacionales, que se espera se produzcan en una supernova, podrían contribuir a obtener una respuesta. Dependiendo de las formas de onda de las explosiones, de lo fuerte de sus ráfagas, la frecuencia con que ocurren y cómo se correlacionan con las supernovas en la luz visible, podrían ayudar a validar o descartar varios modelos, existentes. 

 

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Remanente de supernova Cassiopeia A.

Crédito: NASA/CXC/SAO.

 

 

¿A QUÉ VELOCIDAD SE ESTÁ EXPANDIENDO EL UNIVERSO?

La  expansión del Universo significa que los objetos distantes que se alejan de nuestra galaxia se ven más rojos de lo que realmente son, porque la luz que emiten se estrecha a medida que viaja. Los cosmólogos estiman la tasa de expansión del Universo mediante la comparación de este desplazamiento al rojo con la lejanía de las mismas. Pero esa distancia se suele medir por el brillo de las supernovas “tipo Ia” una técnica que deja grandes incertidumbres.

 

 

Si varios detectores de ondas gravitacionales en todo el mundo detectan señales de la misma fusión de una estrella de neutrones, serán capaces de proporcionar una estimación del volumen absoluto de la señal, que revelará a qué distancia se produjo la fusión. También serán capaces de estimar la dirección de donde vino el evento, dando a los astrónomos la capacidad de deducir qué galaxia fue sede de la fusión.

 

 

La comparación del corrimiento al rojo de la galaxia con la distancia de la fusión, medida por la intensidad de las ondas gravitatorias podrían proporcionar una estimación independiente de la tasa de expansión cósmica, posiblemente mucho más precisa que los métodos actuales.